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随州三维耳蜗医学动画制作及应用
2019-08-16 15:09:03 武汉天启动画设计有限公司 阅读

为精确显示耳蜗的结构和功能,提供耳蜗的三维参数,进一步帮助人们认识耳蜗这一特殊结构,采用3DMAX技术,结合现有的二维耳蜗分割技术,通过虚拟化的三维场景重建耳蜗动态效果。将多维子对象材质、mental ray渲染器和高级动画结合,直观立体地表达了耳蜗在医学范畴的难点。通过三维耳蜗医学动画展示,形成可视化、可交互效果。将三维医学动画应用于教学和临床更容易被学生所理解和接受。三维耳蜗医学动画案例教学在帮助学生、老师和医生准确掌握耳蜗解剖结构的同时,达到了学科交叉和多学科技术融合的目的,在教学工作中有着深远的意义和广阔的应用前景。

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位于颞骨中的耳蜗是一个螺旋状的骨蜗管。耳蜗的研究对临床应用和神经放射学研究等具有重要的价值。人们对于耳蜗的研究都是基于传统的二维组织切片,虽然取得了丰硕的成果,但未能提供耳蜗的三维直观显示和三维参数。随着计算机硬件的不断升级,以及图形图像工具软件的更新换代,二维耳蜗图像无法呈现耳蜗真实、复杂的空间构筑,无法形象展示三维耳蜗解剖结构和三维耳蜗动态功能,使得学生较难理解三维耳蜗工作原理,但是这可在三维耳蜗可视化屏幕上得以实现。

自20世纪80年代开始,国内外相继出现了医学三维重建的报道[1]。90年代起,美国可视人(VHP)以及紧随其后的韩国可视人(VKH)和虚拟中国人(VCH)等一系列研究的相继开展,开始了人体三维研究的新纪元[2]。三维耳蜗医学动画的制作可以弥补二维耳蜗在空间层次上的缺陷,更真实地反映耳蜗的现实意义,为用户提供切实可行的三维耳蜗立体效果。三维耳蜗医学动画不受时间、空间、宏观和微观的限制,直观地将真实世界中耳蜗的各种形态用动画图像的形态呈现出来,能真实、清晰地展示视域中的每一个细节,可以体现耳蜗的真实感和空间层次感[3]。

由于其具有效果逼真、图像细腻、无损放大等诸多优点,目前被广泛应用于娱乐界、机械制造、建筑、军事和医学等诸多领域。在医学方面,动画提供的形象而逼真的模型, 在医学教学、医学研究、医疗诊断以及医学科普健康教育中均具有广泛的应用前景[4]。基于医学图像的三维重建能提供比二维切片图像更加丰富的信息和更直观的可视化效果。如何将这些平行轮廓断层图像进行三维重建,已成为当今医学影像技术研究的热点。

3D MAX开发工具及特点

三维耳蜗医学动画是基于3D MAX技术,对二维耳蜗图像进行分割处理、提取轮廓,构造三维耳蜗在医学中的动画效果。在二维耳蜗分割的基础上,利用3D MAX技术,通过对一些复杂的教学理论、结构进行分析、制作,把耳蜗难于理解的理论、公式等以逼真的动画形式表现出来,将分割后的二维耳蜗经过一定次序的叠放重建三维立体耳蜗。3D MAX(3D Studio Max)是Discreet公司开发的基于PC系统的三维动画渲染和制作软件。

3D MAX在应用范围方面,广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计、三维动画、多媒体制作、游戏、辅助教学以及工程可视化等领域,将向智能化,多元化方向发展。

3D MAX的特点:

⑴ 基于PC系统的低配置要求;

⑵ 人性化的界面设计,入门简单快捷;操作简单,容易上手;

⑶ 建模功能强大,扩展性好;

⑷ 强大的角色(Character)动画制作能力;

⑸ 与其他软件配合流畅;

⑹ 支援Maxscript内建脚本控制语言,让使用者有制订工具的能力。

三维耳蜗医学动画中的关键技术

医学动画的三维重建是指利用人类的视觉特性,通过计算机对二维数字断层图像序列形成的三维体数据进行处理,将其变换为具有直观立体效果的动画来展示人体组织的三维形态。在二维组织切片的基础上,利用现有的区域增长、阈值区间、形态学滤波等自动分割算法与手动编辑相结合的方法对耳蜗进行分割。分割过程采用对体数据逐层分割的方法,之后将二维分割结果叠放在一起重建三维耳蜗[5]。

二维耳蜗的分割速度与分割结果对三维耳蜗模型的立体感、直观感和耳蜗的表面光滑度会有一定的影响。二维耳蜗的分割技术可以运用水平集算法和窄带水平集算法。

水平集算法是一种描述曲线或曲面演化的有力工具,其主要优点是可以对任意复杂的形状进行模型化,隐式地解决了拓扑形状的分裂、合并等变化,而且该算法中与曲率相关的速度项可以控制曲线或曲线的光华特性。窄带水平集算法是将水平集函数的演化限制在当前轮廓周围一个窄带范围内,当传播界面到达窄带边界时重新初始化窄带。如此反复直至到达设定的最大迭代次数或者迭代次数增加而轮廓不再变化、或变化非常小,则停止迭代。

目前三维重建的方法主要有两大类:一类是基于表面的体视方法(面绘制法),另一类是基于体素的体视方法(体绘制法)。面绘制法应用图像分割技术将原始图像分割成代表不同组织和器官的若干区域,然后构造通过这些区域边界的表面,再应用计算机图形学中的剪裁、隐藏面消除等常规方法对这些表面进行显示。体绘制法是以单个小立方体即体素为三维图像的基本单元,然后给每个体素赋以相应的颜色与组光度,最后用投影法或光线投影法生成立体图像[6]。

采用3D MAX软件结合VRML和Java3d技术实现密度投影,模拟出器官和组织系统完整的三维效果。此项技术处理生成的三维图像足够清晰,可以在一定程度上替代实物模型[7]。

制作过程(以制作螺旋器为例)

首先将二维螺旋器的图片导入到3D MAX的前视图中(具体导入到哪个视图由制作者决定)。二维螺旋器图片导入如图1所示。

图1 二维螺旋器图片导入

导入二维螺旋器图片之后,运用3D MAX软件自带的工具列表,在创建->图形处,选择“线”条工具,在前视图中将基本的二维螺旋器模型框架给勾勒出来。勾勒二维螺旋器模型框架图如图2所示。将螺旋器的内柱细胞和外柱细胞的二维图片勾勒出来之后,可以在顶视图和左视图分别看到一条线,顶视图、左视图和前视图显示的是一个平面效果的一部分,而在透视图中看到整个模型的平面图。

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图2 勾勒二位螺旋器模型框架图

勾勒出二维平面模型之后,分别选中刚在创建的内柱细胞和外柱细胞平面图,在修改器列表中选择“挤出”特效。调整“参数”中的“数量”为6,并修改颜色为绿色,可在透视图中查看挤出效果图。挤出效果图如图3所示。

图3 挤出效果图

选中透视图中的内柱细胞和外柱细胞三维效果图,右击选择“克隆”,跳出“克隆选项”页面之后,选择对象为“实例”,点击确定按钮,将克隆之后的模型拖动到一定的位置,连续操作5次,画出内柱细胞和外柱细胞的三维效果图。内、外柱细胞三维效果如图4所示。

在二维螺旋器分割基础上,运用 3D MAX技术将基本的三维螺旋器模型勾勒出来之后,再运用三位重建和Mental ray渲染等特效得到最终的螺旋器效果图。螺旋器效果如图5所示。

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三维耳蜗医学动画的教学意义

教育部于1999年提出,将多媒体计算机技术为核心的教育技术应用模式在高校中普及。为进一步落实、贯彻该理念,浙江中医药大学信息技术学院结合听力学院,通过对教学内容进行深入分析,尝试将耳蜗材料学材料与3D MAX技术相结合,制作具有三维立体效果的三维耳蜗医学动画[8]。

从功能上讲,三维耳蜗医学动画是一种耳蜗的科教演示动画,它是耳蜗在三维动画的重要分支,将三维耳蜗医学动画引入教学领域,一方面可以借用3D MAX展现三维立体效果的强大的表现力,集合二维耳蜗分割基础,通过虚拟化的三维场景,直观地表达耳蜗在医学范畴的疑难点,另一方面通过3D MAX技术,向学生提供耳蜗方面所需的各种信息,通过软件中的基本体建模、多维子对象材质、Mental ray渲染器和高级动画的结合[9],把教材中的平面影像及文字注解有机结合,较好地攻克了教学中的许多难题。动画的使用有利于信息技术学院学生加强本专业的学习与理解。三维耳蜗医学动画软件开发的实践表明,提出的三维建模和优化方法可以满足虚拟建设系统的性能要求,可推广到其他虚拟系统[10]。

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平面耳蜗图像无法呈现真实性、复杂的空间构筑,无法形象展示耳蜗解剖结构和耳蜗动态功能。而三维耳蜗医学动画可直观地将真实世界中耳蜗的各种形态用动画图像的形态呈现出来,三维耳蜗医学动画案例制作充分发挥了3D MAX技术优势,将软件制作、学生主导与教师引导三者有机地结合了起来,优化了课堂教学结构,提高了教学质量与效率,达到了以教师为主体讲授的效果。三维耳蜗医学动画的制作,在帮助学生、教师和医生准确掌握耳蜗解剖结构的同时,达到学科交叉和多学科技术融合的目的,在教学工作中有着深远的意义和广阔的应用前景。在三维动画尚未普及之前,运用3D MAX技术、多维子对象材质、Mental ray渲染器和高级动画结合的三维动画对医学工作者针对耳蜗的研究有非凡的意义。